粘度計は、流体の流れと液体の粘度を測定する機器です。 液体の粘度は、液体がポンプで送られるか配管されるか、あるいは含浸されコーティングされるかにかかわらず、その性能に影響を与えます。
したがって、粘度の測定は次のようなさまざまな材料に適しています。
油
プラスチック
ペイント
コーティング
接着剤
何か
アスファルト
粘度や流動特性の測定は、食品や飲料、歯磨き粉、化粧品、シャンプーなどの一般的な消費者製品の製造にも適しています。
粘度計は何をするのですか?
粘度計は液体の粘度と流動特性を測定し、さまざまな物質や材料のこれらの特性を測定する幅広い用途があります。
これらのアプリケーションの例は次のとおりです。
食品調味料の製造中にジャムやシロップの粘度を監視し、バッチの一貫性を確保します。
牛乳の配管システムを設計する際に、牛乳の流れ特性を解析します。
さまざまな温度条件下でのエンジンオイルの流れパターンの測定
インクジェットプリンターのインクの粘度をテストします。
機械の潤滑においては粘度が重要です。 低すぎると、内部コンポーネント間の接触が多すぎるため、摩耗が発生します。 この値が高すぎると、潤滑剤自体の流れに対する内部抵抗を克服するために、機械にさらに大きな負荷がかかります。
粘度とは何ですか?
粘度は、力が加えられたときの材料の動きに対する抵抗の尺度です。
たとえば、歯磨き粉のチューブを絞ると、チューブの端から内容物がどのくらい簡単に流れ出しますか?
粘度を測定するには次の式があります。
粘度=せん断応力/せん断速度。
この式の結果はセンチポアズ (cP) で表します。 センチポアズは 1 mPa s (ミリパスカル秒) に相当します。
これは絶対粘度に当てはまります。 動粘度の場合は、後で説明するように測定方法が異なります。
せん断応力は、流体の 1 つの層を別の層に対して移動させるのに必要な単位面積あたりの力です。
せん断速度は、中間層の相互移動における速度変化の尺度です。
多くの液体では、流れを引き起こす応力はせん断ひずみ速度に比例します。 特定の流体について、せん断応力をせん断速度で割った値は、特定の温度では一定です。
この定数は動的粘度または絶対粘度です。 しかし、単に材料の粘度と呼ぶこともできます。
粘度を流体の厚さとして考える簡単な方法はありますが、異なる密度の流体を見る場合、粘度を最も明確に説明する方法は流れに対する抵抗です。
粘度の測定が重要なのはなぜですか?
材料の加工条件は、その製造時と最終用途の両方において重要です。
材料の粘度は、分子量や密度などの特性を示す間接的な尺度としても役立ちます。 これらの材料特性は流れの挙動に影響を与えます。
粘度の測定は、品質管理とバッチの一貫性の重要な部分です。
すべての液体が同じように動作するわけではないため、粘度を測定することも重要です。
大まかに次の 2 つのタイプがあります。
ニュートン
ニュートン的ではありません。
ニュートンとは、ニュートンの粘性の法則を指し、粘性を測定するための確立された公式です。
ニュートン流体では、せん断速度が変化しても粘度は一定に保たれます。
ニュートン流体の代表的な例には、水やモーター オイルなどがあります。
ただし、非ニュートン流体では粘度が変動します。 これらの液体には次のタイプが含まれます。
プラスチック
擬可塑性
レオロジー
チキソトロピック
拡大
非ニュートン流体の日常的な例はケチャップで、ボトルを振ると薄くなります。 トマトペーストは、せん断応力が増加すると粘度が低下するため、せん断減粘特性を持っています。
運動学と絶対粘度
粘度を表すには次の 2 つの方法があります。
キネシオロジー
絶対
動粘度は、重力の影響下での流れに対する流体の抵抗を観察することで測定できます。
外部および制御された力の下での流れに対する抵抗を測定することにより、絶対粘度を測定できます。
2 つの粘度表現は測定値も異なります。
動粘度はセンチストークス (CSt) で測定されます。
絶対粘度はセンチポアズ (cP) で測定されます。
粘度計にはどのような種類がありますか?
粘度を測定するには 2 つの基本的な方法があります。
物体が静止した物質を通過するか、物質が静止した物体を通過または通過して流れます。
どちらの方法でも、操作にかかる時間を記録することで流れの抵抗を測定できます。
次の 2 つの方法のいずれかを使用するさまざまな粘度計があります。
キャピラリーまたはガラス粘度計
回転粘度計
落球粘度計、落球ピストン粘度計。
粘度計はニュートン粘度を測定します。
非ニュートン粘度を測定するためのレオメーターもあり、測定に複数のパラメーターを使用します。
毛細管粘度計
実験室では毛細管粘度計をよく見かけます。 U字型のガラス管（別名U字管粘度計）です。
粘度測定プロセスでは、通常 40 度または 100 度の温度制御された浴にガラス管を浸漬します。
一定量の液体が U チューブ内でマークされた 2 点間を流れるのにかかる時間を秒単位で正確に読み取ります。
この流れは吸引または重力によって実現できます。
この測定値を取得したら、使用しているパイプのタイプに固有の定数を掛けると、次の計算が行われます。
動粘度 (吸引法を使用する場合)、または
絶対粘度 (重力を使用する場合。
回転粘度計
このタイプの粘度計は、テストする流体に沈めるスピンドルと呼ばれる回転装置を使用します。
スピンドルの回転軸のトルクによって、流体の流れの抵抗が測定されます。
回転粘度計は流体の絶対粘度を測定します。
これは、電磁的に制御されるスピンドルを使用して流体内で回転を生み出し、電動スピンドルのベアリング摩擦係数を排除します。
落球粘度計、落球ピストン粘度計
これらは粘度を測定する一般的な方法ではありません。 落下ボールおよび落下ピストン粘度計テストでは、ボールまたはピストンを液体に落とし、マークされた点の間の時間を測定します。
ただし、これを行うには、使用するボールまたはピストンの最終速度、サイズ、密度を知っておく必要があります。
レオメーター
レオロジーは、通常は液体である物質の流れの研究ですが、一部の固体にも適用されます。 加えられた力に応じて、材料が流れに関連してどのように反応するかを調べます。
技術的に言えば、粘度はレオロジーというより広い技術的カテゴリーに分類されます。
レオメーターは、非ニュートン流体の粘度を測定するのに最適です。 粘度計と同様に機能しますが、より幅広い用途があります。
これは、非ニュートン流体はニュートン流体よりも複雑なレオロジー特性を持ち、力を加えると粘度が変化するためです。
レオメーターには 4 つのタイプがあります。
毛細管
動的回転
トルク
振動している
キャピラリーレオメーターと回転レオメーターは、対応する粘度計に似ています。
トルクレオメーターは、混合スクリューまたはモーターのトルクを測定し、サンプル材料の混合の難しさを示します。
振動レオメーターは、サンプル材料に正弦波せん断変形を引き起こし、サンプル材料を 2 枚のプレートの間に置き、ねじり効果を測定します。
レオメーターと粘度計の主な違いは、レオメーターは試験対象の物質に何らかの形のせん断力を及ぼす傾向があることです。
測定用のサンプルはどのように準備しますか?
レオロジー測定と粘度測定の両方において、サンプルの前処理は測定結果に影響します。
これは、低せん断速度でサンプルを測定する場合に特に当てはまります。
サンプルに沈殿物やその他の剥離がない限り、サンプルに不定のせん断荷重がかかるため、測定前にサンプルを振ったりかき混ぜたりしないことが重要です。 この場合、撹拌または振盪には一貫した方法とツールを使用する必要があります。
スプーンやスパチュラなど、塗布方法も一貫している必要があります。
ピペットまたはシリンジでの塗布は、油、樹脂、または溶剤での使用にのみ適しています。 他の物質と同様に、これらの適用方法ではせん断荷重が増加する可能性があり、その結果、測定値が減少し、結果の歪みが減少します。
気泡があると非ニュートン挙動がシミュレートされ、誤った測定値が得られる可能性があるため、気泡がないことを確認してください。
使用するサンプル量は、使用する測定方法と一致する必要があります。 サンプルが多すぎたり少なすぎたりすると、測定エラーが発生する可能性があります。
待ち時間についてはガイダンスに従ってください。 準備にはサンプルに負荷がかかり、回復期間が必要になります。 測定システムを設置したら、正確な測定を行う前にサンプル構造を再生成する必要がある場合があります。
また、測定値が高くなりすぎる可能性があるため、サンプルが乾燥しないように注意する必要があります。
粘度測定に影響を与える要因は何ですか?
流体の粘度を測定するプロセスは単純に見えるかもしれませんが、これらの測定が正確であるためには考慮すべき要素がいくつかあります。
温度は重要な要素です。 恒温槽の機能は、プロセス全体を通じて正確な温度を維持することです。 浴槽の温度を希望の温度 (通常は 40 度または 100 度) の 0.02 度以内に制御できる必要があります。
温度制御された浴槽システムを使用すると、これが簡単になります。
毛細管粘度計では、正確な測定のために U 字型ガラスの直径が正確である必要があります。 したがって、これらのガラスは低膨張ホウケイ酸ガラスを使用して製造されることがよくあります。 これは誤差を最小限に抑え、毛管粘度計を毎年再校正するのに役立ちます。
測定の合間には、残留しない溶媒を使用して完全にすすぎ、乾燥させることも重要です。
粘度計は、さまざまなタイプの粘度を測定するためにサイズが異なります。 機器のサイズに関係なく、粘度計の測定にかかる最小時間は 200 秒であると彼は推奨しています。 これにより、液体がマークされた点の間を通過できるようになります。
粘度計とレオメーターから恩恵を受けるのはどの業界ですか?
粘度計とレオメーターは、さまざまな業界や分野で使用されています。
これらには次のものが含まれます。
医薬品、バイオテクノロジー、臨床研究
石油化学と石油
ダイエット
化学工業
美容と化粧品
証拠収集
環境試験
製造研究開発。
ここでは、さまざまな業界における粘度測定の応用例をいくつか紹介します。
接着剤
粘度の測定は接着剤の製造において重要です。 接着剤の種類と最終用途に応じて、接着剤は特定の最適な速度で流れる必要があります。
低粘度の接着剤は、高粘度の接着剤よりも自由に流れます。 接着剤をよりしっかりと 1 か所に留まらせることが目標である人もいれば、接着剤をより広範囲に広げることが目標である人もいます。
食べ物
食品業界では、粘度測定は生産効率を最大化し、費用対効果を確保するのに役立ちます。
生産の一環として製品がパイプで輸送される場合、粘度はこの輸送の速度と、さまざまな食品が固まるまたは乾燥するのにかかる時間、または包装に分配するのにかかる時間に影響します。
粘度は食品の製造プロセスに大きな影響を与える可能性があり、食品の食感に大きく寄与します。
バッチ間の不一致により、消費者の基準を満たさない製品が生じる可能性があります。
油
オイルにおいて粘度は非常に重要です。 それはオイルのシール効果とその消費率を決定します。
オイルの粘度は、ベアリング、ギアセット、シリンダーの熱摩擦に関連する温度に影響します。 これは、機械の効率と、さまざまな温度での始動および動作の速さに影響します。
オイルの動粘度を測定すると、粘度指数 (VI) の評価が得られます。 VI が高いオイルは効率が高いため、消費量が削減され、潤滑時の摩耗が軽減されます。
油で測定されるもう 1 つの要素は、流体潤滑中のせん断に耐える能力です。
オイルの粘度が、潤滑する部品の温度条件、速度、負荷に適合していることが重要です。
特定の
コンクリート産業では、コンクリートの塑性粘度と降伏応力は、その加工性と注入性に非常に重要です。
コンクリートのレオロジー特性は、その機械的品質、耐久性、および全体的な品質を決定します。
コンクリート構造物の持続可能性と建設中のコンクリートの使いやすさを確保するには、適切な粘度が必要です。
化粧品
美容および化粧品業界では、粘度の測定は品質管理の重要な要素です。
たとえば、リップクリームは肌にしっかりと密着して保護するために粘度が高くなければなりません。
一方、ボディスプレーは、ディスペンサーから自由かつ均一に流れるために低粘度を必要とします。
化粧品会社が製品を高級であると表現する場合、これらの製品はその印象を強化するためにより高い粘度を必要とする可能性が高くなります。
多くの油ベースおよび水ベースの化粧品化合物はニュートン流体であるため、毛細管粘度計を使用してその粘度をテストできます。 ただし、他の化合物は非ニュートン特性を持ち、レオロジー試験が必要になります。
したがって、ニーズの範囲に基づいて適切な粘度計またはレオメーターを選択することが重要です。
粘度計の選び方は？
これまで見てきたように、粘度計とレオメーターには幅広い用途があります。
粘度を測定する機器を選択する際にはどのような要素を考慮する必要がありますか?
絶対粘度、動粘度、またはその両方のどの種類の粘度を測定する必要がありますか?
研究室環境、移動中など、どこで作業を行いますか?
測定したい材料はどの程度複雑または変化しますか?
一般に、レオメーターは粘度計よりも多用途で高価ですが、レオメーターは非ニュートン流体を測定します。
粘度計とレオメーターの種類に関しては、次のようなさまざまな機器カテゴリがあります。
ポータブル手持ち粘度計
ガラス毛細管粘度計
回転粘度計
ボールベアリングおよびエアベアリングレオメーター。
